极地中心极地环境监测中心在南大洋植物杆菌适应与进化研究方面取得新进展

      海洋与陆地微生物的联系研究相对较少，常被割裂探讨。特别是南大洋，因南极绕极流等物理屏障和极端环境选择的共同影响，南极微生物通常被认为相对孤立，且具有高度“土著性/纯净性”。然而，这种孤立状态并非绝对，一些关键的科学问题仍待研究：南极微生物与遥远陆地微生物之间是否存在近期交流？外部微生物是否适应南极极端环境，其适应机制是什么？以及陆地微生物在海洋环境中如何生存并进化？

      近期，极地中心研究人员在生态学领域1区top期刊《Molecular Ecology》发表了题为“Evolution and adaptation of terrestrial plant-associated Plantibacter species into remote marine environments”的论文。围绕上述问题，该研究以植物杆菌属为模型，揭示了陆地植物来源的细菌可能在约1万年前进入南极与深海，在极端海洋环境中发生了生理与遗传层面的适应性进化，但仍保留了与植物互作的祖先特征。该研究为南极圈内外微生物的近期交流提供了证据，提示气候变化可能加剧外部微生物向南极的“入侵”。此外，该研究从基因组层面深入解析了陆地微生物在极端海洋环境中的适应性进化，为理解陆地与海洋微生物的联系与差异提供了重要信息。具体研究结果如下：

      从南大洋和大西洋深海沉积物中分别分离获得植物杆菌属细菌PA-3-X8和MCCC_1A11337，与陆地植物杆菌具有高度亲缘关系。该属细菌在全球大洋中广泛分布，意味着海洋可能是该类植物共附生菌被忽略的储库。进化时间重构与祖先状态重建显示（图1），该属细菌祖先约在147万年前在植物相关环境中分化，其中南大洋菌株PA-3-X8约在1万年前从陆地植物共附生菌株中分化出来，这一时间点与南极末次冰期结束相吻合。

图1 基于两种不同方法的祖先状态重构（不同颜色代表不同生存环境，进化时间仅在海洋菌株分化节点给出，更多信息可查看原文对应的图，其中MYA表示million years ago）

      进一步的研究揭示了这些细菌在生理和遗传层面的适应性进化。海洋菌株对盐度耐受性略高于植物来源的菌株，表明进入海洋环境后细菌在盐度耐受上进行了适应性提升。通过基因水平转移，南极菌株PA-3-X8从冰川、海洋等低温环境中的微生物获得了有利于适应极端海洋环境的基因，例如HSP90伴侣蛋白编码基因、毒素-抗毒素系统等。同时，基因正向选择可能强化了与极端海洋环境适应有关的基因，例如不饱和磷脂合成基因、铁离子摄取基因与抗氧化基因等在南大洋菌株基因组中受到了正向选择，可能更有利于菌株适应南大洋低温、缺铁、高氧化等压力。而大西洋深海沉积物菌株MCCC_1A11337，在特有基因和正向选择基因上与PA-3-X8不同，主要涉及转座酶、药物外排泵、金属蛋白酶等基因，暗示着不同的适应需求。

图2 植物杆菌基因组代谢重建与植物生长激素合成检测

      由于两个海洋菌株与陆地植物共附生菌株高度同源且分化时间不长，研究人员推测海洋菌株可能仍然具备与陆地植物互作的能力。基因组代谢重建分析和植物培养实验均证实了这一点。研究发现海洋菌株具备转运和代谢多种植物源多糖底物的基因，以及多种植物激素的合成途径（图2），并能与拟兰芥互作，显著增多植物根毛、提升植物种子萌发效率，但不能显著促进植物生长（图3）。该研究表明，尽管这些细菌已经适应了海洋环境，但它们仍然保留着与陆地植物互作的祖先特征。最后，研究人员提出了一个陆地植物来源的微生物传播进入遥远海洋环境并适应性进化的假设模式（图4）。

图3 南大洋和大西洋深海沉积物来源植物杆菌与拟兰芥互作实验：（a）植物根部形态测试；（b-d）植物生长促进测试；（e-f）植物种子萌发测试。

图4 陆地植物来源微生物在极地/深海环境中传播与适应假设

      该论文第一单位为中国极地研究中心（中国极地研究所），廖丽研究员为第一作者与通讯作者。合作研究单位包括上海交通大学、山东大学、中国科学院分子植物科学卓越创新中心以及自然资源部第三海洋研究所、第一海洋研究所。研究得到了国家重点研发计(2022YFC2807501、2023YFC2812600)和国家自然科学基金（41976224）支持。

论文链接：Liao L, Qin Q, Yi D, Lai Q, Cong B, Zhang H, Shao Z, Zhang J, Chen B. Evolution and adaptation of terrestrial plant-associated Plantibacter species into remote marine environments. Mol Ecol. 2024 May 13:e17385. doi: 10.1111/mec.17385. Epub ahead of print. PMID: 38738821.

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）